같은 재료 합쳐도 용매따라 복합소재가 달라진다

초기 용매에 따라 경게면 측이 다르게 형성된다. 에탄올(EtOH)에서 만들어진 나노복합체의 경우 경계면층 두께가 더 두껍다. UNIST 제공

[파이낸셜뉴스] 국내 연구진이 같은 재료를 가지고도 용매에 따라 소재의 성질이나 구조가 달라진다는 사실을 밝혀냈다.

UNIST 에너지 및 화학공학부의 김소연 교수팀은 고분자와 나노입자를 혼합하는 '용액 혼합 방식'에서 '용매'가 재료의 최종 구조와 특성에 중요하게 작용한다고 30일 발표했다.

용액 혼합 방식은 고분자와 나노입자를 용매에 녹여 혼합한 뒤 용매를 증발시켜 복합재료를 얻는 기법인데, 어떤 용매를 사용하는지에 따라 최종 물질의 특성이 달라진다는 이야기다.

김소연 교수팀은 고분자와 나노입자의 서로 맞닿는 경계면에 영향을 주는 요소로 '용매'에 주목했다.

용매는 반응 후 제거되므로, 물질계가 반응 전후에 평형을 이루면 어떤 용매를 쓰든 같은 성질의 복합체가 만들어져야 한다. 그런데 실제로는 복합체를 만드는 복잡한 과정으로 인해 반응 전후에 평형을 이루지 못한다. 용매에 의한 '비평형 효과'가 나타나는 것이다.

연구팀은 '똑같은 고분자와 나노입자'로 복합체를 만들면서 '서로 다른 용매'인 물과 에탄올을 이용해, 각 용매가 경계면 두께에 미치는 효과를 규명했다. 측정결과 에탄올을 용매로 사용했을 경우 나노 입자에 달라붙어 경계면 층을 이루는 고분자의 비율이 약 2배 더 높게 나타났으며, 경계면층의 두께도 1nm 더 두꺼웠다.

1nm에 불과한 경계면의 두께 차이는 전체 복합체의 특성에 영향을 주기에 충분했다. 충분한 양의 나노입자와 짧은 사슬 길이를 갖는 고분자를 이용해 에탄올 용매에서 복합체를 만든 경우, 물에서 만든 나노복합체보다 액체에 가까운 성질을 보였다. 경계면층에 두텁게 붙은 고분자들의 서로간 반발력(입체반발력)에 의해서 전체 입자들이 골고루 퍼지는 현상이 생기기 때문이다. 물에서 제조된 복합체의 경우 전체 입자들이 퍼짐이 불규칙해 유리처럼 딱딱한 성질이 더 강했다. 하지만 고분자 사슬이 너무 길면 고분자 사슬간 엉킴으로 인한 나노입자의 뭉침이 심해져 오히려 경계면층이 두꺼운 나노복합체가 더 단단해지는 현상이 나타났다.

김소연 교수는 "똑같은 양의 동일 재료를 이용하더라도 초기 용매에 따라 판이한 상태의 고분자 나노복합체가 제작될 수 있다"며 "이번 발견은 고분자 나노 복합소재를 설계할 때 각 요소의 특성과 더불어 '비평형 효과'도 고려해야 함을 보여준다"고 설명했다.

이 연구결과는 물리학 분야에서 세계적으로 저명한 학술지인 '피지컬 리뷰 레터스' 17일자에 게재됐다.

연구 수행은 UNIST-PAL 빔라인과 한국연구재단의 지원을 받아서 진행됐으며, 연구에는 신태주 자연과학부 교수도 참여했다.

[e-mail] 김만기 기자